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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Stranggießverfahren und eine Vorrichtung
zum bewirken der Durchflussregelung von schmelzflüssigem Metall
durch Verwendung eines Magnetfeldes während des Stranggießens des
Metalls.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Beim
Stranggießen
wird oft eine Eintauchdüse
zum Vergießen
eines schmelzflüssigen
Metalls in eine Gießform
benutzt. Wenn die Fließgeschwindigkeit
des schmelzflüssigen
Metalls an der Oberfläche
zu diesem Zeitpunkt zu hoch ist, wird der Formfluss (mold flux)
auf der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metalls in einem Körper
des schmelzflüssigen
Metalls mitgerissen (entrained) (oder eingearbeitet) und wenn die
Fließgeschwindigkeit
des schmelzflüssigen
Metallstückes
zu niedrig ist, stagniert und lagert sich das schmelzflüssige Metall dort
ab, was letztendlich zu Oberflächensegregation
führt.
Um solche Oberflächendefekte
zu reduzieren, ist ein Verfahren zum Anlegen eines statischen Magnetfeldes
und/oder eines beweglichen Magnetfeldes (wechselstrombewegliches
Magnetfeld) an dem schmelzflüssigen
Metall in der Form zum Regulieren der Fließgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Metalls
bekannt.
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Das
bekannte Verfahren weist jedoch die folgenden Probleme auf. Wenn
ein statisches Magnetfeld angelegt wird, um einen Fluss des geschmolzenen
Metalls zu bremsen (zum elektromagnetischen Bremsen), trifft Segregation
auf eine einfache Weise ein, insbesondere in einer Position, in
der das schmelzflüssige
Metall stagniert. Wenn ein bewegliches Magnetfeld zum Hin- und Herbewegen
des schmelzflüssigen
Metalls (zum elektromagnetischen Hin- und Herbewegen) angelegt wird,
neigt es ferner zu Mitreißen
(entrainment) des Formflusses (Mitgerissener-Fluss) in einer Position,
in der die Fließgeschwindigkeit
des schmelzflüssigen
Metalls hoch ist.
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Um
den obigen Problemen zu begegnen, sind mehrere Vorschläge im Hinblick
auf die Art und Weise des Anlegens eines Magnetfeldes vorgelegt
worden. Beispielsweise offenbart die japanische ungeprüfte Patentanmeldung,
Veröffentlichung
Nr. 9-182941, ein Verfahren zum periodischen Umsteuern der Richtung,
bei welchem ein schmelzflüssiger
Metall mittels eines beweglichen Magnetfeldes Hin- und Herbewegt
wird, um zu verhindern, dass Einschlüsse von einer bewegten Fläche (agitation
area) nach unten diffundieren.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentanmeldung, Veröffentlichung
Nr. 8-187563, offenbart ein Verfahren zum Verhindern eines Ausbruchs
durch Wechseln der Größe einer
hochfrequenten magnetischen Kraft, die abhängig von den Schwingungen einer
Gußform
ist. Die ungeprüfte
japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung
Nr. 8-267197, offenbart ein Verfahren zum Verhindern von Einschlussdefekten
durch Bereitstellen eines Gradienten für einen Veränderungswert der magnetischen
Flussdichte in dem Umstellungsprozess einer elektromagnetischen
Bremskraft, so dass die Veränderungen
von einem schmelzflüssigen
Metallfluss reduziert werden. Ferner offenbart die ungeprüfte japanische
Patentanmeldung, Veröffentlichung
Nr. 8-155605, ein Verfahren zum Anlegen eines horizontal beweglichen
Magnetfeldes bei einer Frequenz von 10–1000 Hz mittels leitfähiger Schichten,
wobei jede davon eine geringe spezifische elektrische Leitfähigkeit
hat und so ausgebildet ist, dass sie sich kontinuierlich in die
Richtung der Querbreite einer Gußform erstreckt, und Anbringen
einer Klemmkraft an dem schmelzflüssigen Metall, so dass ein
Kontaktdruck zwischen der Gußform
und dem schmelzflüssigen
Metall reduziert wird.
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Keines
der bekannten Verfahren hat es jedoch geschafft, das Eintreffen
von Mitgerissenen-Fluss (flux entrainment) zufriedenstellend zu
verhindern, da ein Makrofluss des schmelzflüssigen Metalls aufgrund des beweglichen
Magnetfeldes verursacht wird, oder da die Fließgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Metalls
in einer Position, in der das statische Magnetfeld gering ist, erhöht wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Mit
dem Ziel die Einschränkungen
der vorerwähnten
verwandten Art zu überwinden,
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stranggießverfahren
und eine Vorrichtung für
Metalle bereitzustellen, welche eine Bramme produzieren können, die
weniger anfällig
für Mitgerissenen-Fluss,
Auffangen von Blasen und nicht-metallischen Einschlüssen in
der Nähe
der Oberfläche
eines schmelzflüssigen
Metalls und Oberflächensegregation
sind.
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Die
gegenwärtigen
Erfinder haben durch intensive Studien folgende Entdeckungen gemacht.
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Aspekt A der Erfindung:
A nlegen eines nicht-beweglichen, schwingenden Wechselstrommagnetfeldes
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- 1) Die Durchflussregulierung von schmelzflüssigem Metall
unter Verwendung eines statischen Magnetfeldes ist zur Verhinderung
von Mitreißen
des Formflusses 3 und Auftreten von Einschlüssen sehr
wirksam. Wenn jedoch das Magnetfeld zu stark ist, wird die Fließgeschwindigkeit
eines schmelzflüssigen
Metalls verringert und Oberflächensegregation 5 wird
aufgrund der Teil-Erstarrung an der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls
verursacht (siehe 1).
- 2) Die Durchflussregulierung des schmelzflüssigen Metalls unter Verwendung
eines beweglichen Magnetfeldes ist in der Lage, die Oberflächensegregation
und Aufnahme von Fremdkörper
(Blasen und nicht-metallische Einschlüsse 4) an der Erstarrungsgrenzfläche zu verhindern.
Mit einer resultierenden Erhöhung der
Fließgeschwindigkeit
des schmelzflüssigen
Metalls, durch Bezugszeichen 2 angedeutet, ist es jedoch wahrscheinlicher,
dass das Mitreißen
des Formflusses 3 eintritt und eine Menge des Mitgerissenen-Formflusses 3 wird
somit erhöht
(siehe 1).
- 3) Ein Verfahren zum Anbringen einer elektromagnetischen Kraft
ist sehr wirksam, welches ohne einen Makrofluss zu bewirken, nur
Schwingung bewirkt, um somit auf das schmelzflüssige Metall einzuwirken, um die
Teilerstarrung an der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metalls und die Aufnahme von Fremdkörper an der Er starrungsgrenzfläche zu verhindern,
während
es den Mitgerissenen-Fluss unterdrückt. Solch eine elektromagnetische
Kraft kann mittels eines Wechselstrommagnetfeldes erzeugt werden,
welches sich nicht bewegt, sondern nur in Schwingung gebracht wird
(nachfolgend als ein "nicht-bewegliches,
schwingendes Magnetfeld" bezeichnet).
Das heißt,
der Ausdruck "nicht-bewegliches
Magnetfeld", wie
hierin verwendet, bezeichnet einen Magnetfluss, der in entgegengesetzten
Richtungen alterniert, wobei ein bewegliches Magneffeld einen Magnetfluss
bezeichnet, der sich in eine einzelne Richtung fortsetzt.
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Die
vorliegende Erfindung, gemäß des Aspekts
A wurde auf Basis der vorerwähnten
Erkenntnisse verwirklicht.
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Insbesondere
wird gemäß des Aspekts
A der vorliegenden Erfindung ein Stranggießverfahren für Metalle,
wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungen
des erfinderischen Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen 2 bis
5 definiert.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung, wird eine Vorrichtung,
wie in Anspruch 6 und eine Vorrichtung, wie in Anspruch 8 definiert,
bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
sind jeweils in den abhängigen
Unteransprüchen
7 und 9 definiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht zum Erläutern der Mechanismen, die
Mitgerissenen-Fluss, Oberflächensegregation
und Aufnahme von Fremdkörpern
erzeugen;
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2 ist
eine schematische Ansicht, die ein erstes Beispiel einer Art und
Weise zum Erzeugen eines nicht-beweglichen, schwingenden Magnetfeldes
zeigt;
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3 ist
eine schematische Ansicht, die ein zweites Beispiel der Art und
Weise zum Erzeugen des nicht-beweglichen, schwingenden Magnetfeldes
zeigt;
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4 ist
eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Art und Weise
zum Erzeugen von einem beweglichen Magnetfeld zeigt;
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5 ist
eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines kammartig geformten
Eisenkerns zeigt;
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6A und 6B zeigen
ein Beispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei 6A eine schematische Schnittdraufsicht
und 6B eine schematische Schnittseitenansicht ist;
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7 ist
ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel einer Magnetflussdichte
zeigt, das allein durch Verwendung eines Wechselstrommagnetteldes
erzeugt wurde;
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8 ist
eine schematische Ansicht zum Erläutern von schmelzflüssigen Metallströmungen,
die unter Verwendung eines Wechselstrommagnetfeldes allein eintreten;
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9 ist
ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel einer magnetischen Flussdichte
zeigt, die unter Verwendung eines Wechsel- und Gleichstrommagnetfeldes
erzeugt wurde;
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10 ist
eine schematische Ansicht zum Erläutern schmelzflüssiger Metallströme, die
unter Verwendung von Wechsel- und Gleichstrommagnetfeldern eintreten;
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11 ist
eine schematische Schnittdraufsicht, die eine Grenzfläche zwischen
einer zirkulierenden Strömung
und einer ausgestoßenen
und umgekehrten Oberflächenströmung, verursacht
mittels elektromagnetischer Bewegung, in einem Gießspiegelbereich
(die Oberfläche
des schmelzflüssigen
Stahls) zeigt.
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In
den Figuren bezeichnen die folgenden Bezugszeichen die folgenden
Elemente und Merkmale:
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- 1
- Eintauchdüse
- 2
- Fließgeschwindigkeit
des schmelzflüssigen
Metalls
- 3
- Formfluss
- 4
- Nicht-metallische
Einschlüsse
- 5
- Oberflächensegregation
- 6
- Gußform
- 7
- Elektromagnet
- 8
- Eisenkern
- 9
- Spule
- 10
- Schwingende
Strömung
in der Längsbreite
- 11
- Schwingende
Strömung
in der Querbreite
- 12
- Massenströmung
- 13
- Kammförmiger Eisenkern
- 14
- Kammzahnabschnitt
- 18
- Gleichstrombelieferte
Spulen
- 19
- Wechselstrombelieferte
Spulen
- 20
- Richtung
des Gleichstrommagnetfeldes
- 21
- Richtung
des Wechselstrommagnetfeldes
- 22
- Magnetpole
- 23
- Geschmolzener
Stahl
- 24
- Elektromagnetische
Kraft
- 25
- Geschmolzene
Stahlströmung
- 26
- Nicht-gerichtete
geschmolzene Stahlströmung
- 27
- Zirkulierende
Strömung
- 28
- Ausgestoßene und
umgekehrte Oberflächenströmung
- 29
- Wirbel
- 30
- Stagnation
- 31
- Bewegliches
Wechselstrommagnetfeld
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
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Aspekt A der Erfindung "Anlegen eines nicht-beweglichen
schwingenden Wechselstrommagnetfeldes"
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In
dem Aspekt A der vorliegenden Erfindung wird ein nicht-bewegliches,
schwingendes Magnetfeld mittels Stranggießen an einem in einer Gießform vorhandenen
schmelzflüs sigen
Metall angelegt, um nur Schwingung an dem schmelzflüssigen Metall
zu bewirken. Aufgrund des Anlegens eines nicht-beweglichen Magnetfeldes
wird eine Massenströmung
(Makroströmung)
des schmelzflüssigen
Metalls nicht erzeugt, im Gegensatz zu dem Fall des Anlegens eines
beweglichen Magnetfeldes, und deshalb tritt Mitreißen des
Flusses nicht mehr so leicht ein. Aufgrund des Anlegens eines schwingenden
Magnetfeldes, wird eine geringe (minute) Schwingung des schmelzflüssigen Metalls
in dem Nahbereich (vicinity) der erstarrten Grenzfläche erzeugt.
Die erzeugte geringe Schwingung liefert nicht nur einen Beitrag
zum Verhindern von Aufnahmen von Fremdkörpern mittels der erstarrten
Grenzfläche
(Blasen und nicht-metallische Einschlüsse), sondern trägt auch
dazu bei, eine unebene Erstarrung, welche für die Oberflächensegregation
verantwortlich ist, in dem Nahbereich eines Gießspiegels (die Oberfläche des
schmelzflüssigen
Metalls) zu unterdrücken.
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Das
nicht-bewegliche, schwingende Magnetfeld kann, wie beispielsweise
in 2 und 3 gezeigt, erzeugt werden. Eine
Vielzahl von Elektromagneten 7 sind an beiden Seiten einer
Gußform 6 in
einem gegenüberstehenden
Verhältnis
in Richtung der Querbreite der Form angeordnet, wobei jeder einen
Eisenkern 8 und eine Spule 9, die um den Eisenkern 8 gewickelt
ist, umfasst, um Seite an Seite in Richtung der Längsbreite
der Form zu liegen, und ein Einphasenwechselstrom wird an jede Spule 9 geliefert.
Es wird darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen 20 in 2 und 3 eine
magnetische Kraftlinie bezeichnet.
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In
einem ersten Beispiel wird, wie in 2 gezeigt,
jedes Paar von gegenüberstehenden
Spulen 9, 9 in dieselbe Richtung (x, x oder y,
y) gewickelt und ein Paar von benachbarten Spulen 9, 9 an
derselben Seite der Form werden in entgegengesetzte Richtungen (x,
y) gewickelt. Ein Einphasenwechselstrom wird dann an jede von den
eben gewickelten Spulen 9 geliefert. Deshalb werden die
magnetischen Kräfte,
die zwischen allen zwei Elektromagneten 7, 7 erzeugt
werden, die benachbart zueinander an derselben Seite angeordnet sind,
mehrfach über
die Zeit in ihrer Richtung umgekehrt. Demzufolge werden nur Schwingungsströme 10 in die
Richtung der länglichen
breite der Form in dem schmelzflüssigen
Metall bewirkt und keine Massenströme werden erzeugt.
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In
einem in 3 gezeigten zweiten Beispiel,
wird jedes Paar von gegenüberliegenden
Spulen 9, 9 in entgegengesetzte Richtungen (x,
y) gewickelt und ein Paar von benach barten Spulen 9, 9 an
derselben Seite, werden in die gleiche Richtung (x, x oder y, y)
gewickelt. Ein Einphasenwechselstrom wird dann an jede von den so
gewickelten Spule 9 geliefert. Deshalb werden die zwischen
allen zwei Entgegengesetzten Elektromagneten 7, 7 erzeugten
magnetischen Kräfte
in ihrer Richtung über
die Zeit mehrmals umgekehrt. Demzufolge werden nur Schwingungsströme 11 in
die Richtung der Querbreite der Form in dem schmelzflüssigen Metall bewirkt
und keine Massenströme
werden erzeugt.
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Andererseits
wird ein bewegliches Magnetfeld nach einem in 4 gezeigten
Beispiel erzeugt. Eine Vielzahl von Elektromagneten 7 sind,
wobei jeder einen Eisenkern 8 und eine Spule 9 umfasst,
die um den Eisenkern 8 gewickelt ist, an beiden Seiten
der Gußform 6 in
einem gegenüberstehenden
Verhältnis
in Richtung der Querbreite der Form so angeordnet, dass sie Seite
an Seite in Richtung der länglichen
Breite der Form liegen und ein Dreiphasenwechselstrom wird an jede
Spule 9 geliefert. Die Buchstaben u, v und w bezeichnen unterschiedliche
drei Phasen des Dreiphasenwechselstroms. Die sechs linken Spulen
und die sechs rechten Spulen sind in entgegengesetzte Richtungen
(x, y) gewickelt. Mit dem eben erzeugten beweglichen Magnetfeld
werden Magnetkräfte
in eine konstante Richtung erzeugt (d. h., eine Richtung von einem
Ende zu dem anderen Ende der Form entlang der länglichen Breite derselben).
Demzufolge wird eine Massenströmung 12 in
dem schmelzflüssigen
Metall erzeugt, um horizontal entlang der inneren Wände der
Form 6 zu zirkulieren und es ist schwierig, das Auftreten
von Mitgerissenen-Fluss zu unterdrücken.
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Während die
Eisenkerne der Elektromagneten in 2 und 3 als
individuelle, voneinander getrennte Einzeleisenkerne konstruiert
sind, kann dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung auch durch den
Einsatz von kammförmigen
Eisenkernen 13 durchgeführt
werden, die Kammzahnabschnitte 14, wie in 5 gezeigt,
aufweisen, um welche die Spulen 9 angepasst sind. Diese
Konstruktion ist vorteilhaft, indem die Herstellung der Elektromagneten
vereinfacht wird, weil die Elektromagneten durch Bereitstellung
eines kammförmigen
Eisenkernes 13 an jeder Seite der Gußform 6 in die Richtung
der Querbreite der Form hergestellt werden können, und indem die Spule 9 über die
Kammzahnabschnitte 14 in einem Eins-zu-eins-Verhältnis gewickelt werden.
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Der
Einphasenwechselstrom, der an die Spulen 9 geliefert wird,
hat in diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine
Frequenz von 0,10–60
Hz. Die Einstellung der Frequenz mit nicht weniger als 0,10 Hz,
ermöglicht
es, den Skin-Effekt (skin effect) zu erhöhen, die Schwingung in dem
Nahbereich der Erstarrungsgrenzfläche zu konzentrieren, und den
Effekt des Verhinderns der Aufnahme der Fremdkörper zu steigern. Wenn jedoch
die Frequenz 60 Hz überschreitet
wird, wird eine drängende
Schwingungskraft bis zu einem Niveau nahe zu dem Viskositätswiderstand
des schmelzflüssigen
Metalls reduziert, wobei die Schwingung des schmelzflüssigen Metalls
abgeschwächt
wird und der Effekt des Verhinderns der Aufnahme von Fremdkörpern verringert
wird.
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Gemäß des oben
beschriebenen Aspekts der vorliegenden Erfindung, kann Gießen einer
hochqualitativen Metallbramme verwirklicht werden, welche frei von
Oberflächensegregation
ist, weniger Fremdkörper enthält (Blasen
und nicht-metallische Einschlüsse),
die in der Bramme aufgenommen sind, und durch weniger Mitgerissenen-Fluss
in Mitleidenschaft gezogen wird.
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Die
Elektromagneten sind vorzugsweise in Positionen nahe zu dem Gießspiegel
des schmelzflüssigen Metalls
angeordnet, aber ähnliche
Vorteile können
auch erhalten werden, wenn die Elektromagneten in Positionen unterhalb
der Ausstoßöffnung der
Eintauchdüse
angeordnet sind.
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Beispiele (Tabellen 1
und 2)
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Über 300
Tonnen sehr geringen Kohlenstoffanteil- und Aluminiumberuhigten
Stahl (mit einer typischen chemischen Zusammensetzung, wie in Tabelle
1 aufgelistet) wurde mittels eines Konverter-RH-Prozesses geschmolzen,
und eine 1500–1700
mm Breite und 220 mm Dicke Bramme wurde durch Ausgießen des
geschmolzenen beruhigten Stahls von einer Eintauchdüse in eine
Gußform
bei 4–5
Tonnen/min mittels einer Stranggießmaschine gegossen. In diesem
Gießschritt
wurden Experimente durchgeführt,
in dem Elektromagneten in jede von dem in 2 bis 4 gezeigten
Auslegungen auf ein Niveau angeordnet wurden, das der Position der
Oberfläche
des geschmolzenen Stahls entspricht, und ein Drei- oder Einphasenwechselstroms mit
unterschiedlichen Frequenzen wurde an eine Spule von jedem Elektromagneten
geliefert, wobei ein bewegliches Mag netfeld oder ein nicht-bewegliches,
schwingendes Magnetfeld mit einer Magnetflussdichte von 0,1 T angelegt
oder kein Magnetfeld in dem Schritt angelegt wurde.
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In
den Experimenten wurden drei Eigenschaften, d. h. Oberflächensegregation,
Flussbasierende Oberflächendefekte
und eine Blasen-/Einschlussmenge für jede Bedingung des Anlegens
des Magnetfeldes gemäß der folgenden
Verfahren gemessen.
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Oberflächensegregation:
Nachdem die Bramme geschliffen worden war, wurde die Bramme einer Ätzung unterworfen
und die Anzahl von Ausfällungen
(segregates) pro 1 m2 wurden durch visuelle
Beobachtungen gezählt.
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Flussbasierende
Oberflächendefekte:
Oberflächendefekte
in einem Coil, das nach dem Kaltwalzen der Bramme erhalten wurden,
wurden visuell beobachtet und nachdem man eine fehlerhafte Probe
ausgewählt hatte,
wurde die Anzahl von Defekten, die durch Mitreißen des Formflusses verursacht
worden waren, durch Analysieren der Defekte gezählt.
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Blasen-/Einschlussmenge:
Nicht-Metalleinschlüsse
wurden mittels des Schleimextrahierverfahrens (slime extracting
process) von einem Abschnitt der Bramme an einer Position, die 1/4
ihrer Dicke entspricht, extrahiert und das Gewicht der extrahierten
Einschlüsse
wurde gemessen (die Anzahl der Blasen wurden dadurch gemessen, dass
man eine Oberflächenschicht
der Bramme zerschnitten und die Anzahl von Blasen, die durch Ausstrahlen
eines Röntgenstrahls
erfasst wurde, gezählt
wurde).
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Die
Experimentergebnisse sind zusammen mit den Bedingungen des Anlegens
des Magnetfeldes in Tabelle 2 aufgelistet. Es wird darauf hingewiesen,
dass die ausgewerteten Werte der obigen drei Einzelheiten alle in
Form eines Index repräsentiert
sind (ein numerischer Wert, der durch Multiplizieren eines Verhältnisses zwischen
gemessenen Daten und den schlechtesten Daten von allen Bedingungen
mit einem Faktor 10 erhalten wurde).
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Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich konnten in den Beispielen gemäß dieses
Aspekts der vorliegenden Erfindung, bei welchen das nicht-bewegliche,
schwingende Magnetfeld angelegt wurde, die Oberflächensegregation,
die aufgrund des Mitgerissenen-Flusses verur sachter Defekte eintraten,
und die Anzahl von Blasen und nicht-metallischen Einschlüssen erheblich
verringert werden.
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Da
in Beispiel 1 die Frequenz zu niedrig war, d. h. 0,05 Hz wurde teilweise
ein Makrofluss in dem geschmolzenen Stahl induziert und die flussbasierenden
Oberflächendefekte
wurden bis zu einem gewissen Grad erhöht. In Beispiel 8 war die Frequenz
zu hoch, d. h. 65 Hz, und deshalb wurde die Schwingung abgeschwächt und
die Anzahl von Blasen und Einschlüsse konnten bis zu einem gewissen
Grad erhöht
werden.
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Eine
Beschreibung einer Abwandlung dieses Aspekts dieser Erfindung wird
nachfolgend angegeben, in welcher ein Gleichstrommagnetfeld und
ein Wechselstrommagnetfeld zum Erzeugen eines nicht-beweglichen,
schwingenden Magnetfeldes in einer überlagerten Art und Weise in
Richtung der querverlaufenden Breite einer Gußform angelegt werden.
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In 6A und 6B sind
Spulen (Gleichstrombelieferte Spulen) 18, an welche Gleichstrom
zum Erzeugen eines Gleichstrommagnetfeldes (äquivalent mit statischen Magnetfeldern)
geliefert wird und Spulen (Wechselstrombelieferte Spulen) 19,
an welche Wechselstrom zum Erzeugen von fixen Wechselstrommagnetfeldern
geliefert wird, um einen gemeinsamen Eisenkern 8, wie gezeigt,
gewickelt. Zwei Eisenkerne 8 sind so angeordnet, dass sie
sich jeweils entlang der äußeren Oberflächen der
Längsseiten
einer Gußform 6 erstrecken,
so dass die Richtungen der Magnetfelder (d. h., Richtungen 20 der
Gleichstrommagnetfelder und Richtungen 21 der Wechselstrommagnetfelder)
sich mit der Richtung der querverlaufenden Breite der Form ausrichten
und ein oder mehrere (sechs an jeder der oberen und unteren Seiten
in der dargestellten Vorrichtung) Paare von Magnetpolen 22 sind
angeordnet, dass sie sich oberhalb und unterhalb einer Ausstoßöffnung einer Eintauchdüse 1 gegenüberzustehen.
Ein Ein- oder Dreiphasenwechselstrom wird an jede der wechselstrombelieferten
Spulen 19 geliefert, welche so angeordnet sind, dass sie
Seite an Seite in Richtung der länglichen Breite
der Gußform 6 liegen.
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Bei
dem durch den Einphasenwechselstrom erzeugten Magnetfeld wird die
Phase in einer Wellenform, die eine Intensitätsverteilung in Richtung der
länglichen
Breite der Form wiedergibt (Positionieren von Hügeln und Tälern der Verteilung) nicht
mit der Zeit geändert
(d. h., eine Welle bewegt sich nicht in die Richtung der länglichen
Breite der Form). Andererseits wird das so genannte konventionell
angelegte bewegliche Magnetfeld erzeugt, indem wechselstrombelieferte
Spulen in Untergruppen von drei Einheiten angeordnet werden, und
durch Liefern von Dreiphasenwechselstrom mit unterschiedlichen Phasen
an die drei Einheiten der Spulen. In einem so erzeugten Magnetfeld
wird die Phase einer Wellenform mit der Zeit verändert, die eine Intensitätsverteilung
in Richtung der länglichen
Breite der Form wiedergibt. Somit bedeutet das fixierte Wechselstrommagnetfeld,
das in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ein Wechselstrommagnetfeld
bei welchem- im Gegensatz zu dem konventionell eingesetzten beweglichen
Magnetfeld (beweglichen Wechselstrommagnetfeld)- eine Welle sich
nicht in eine bestimmte Richtung bewegt. Sogar unter Verwendung
eines Mehrphasenwechselstroms ist es auch möglich, bei zweckmäßiger Anordnung
der Spulen, ein Wechselstrommagnetfeld zu erzeugen bei welchem eine
Welle sich nicht in eine bestimmte Richtung bewegt.
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Wenn
ein, wie in 8 gezeigtes Einzel-Wechselstrommagnetfeld
mittels der wechselstrombelieferten Spule 19 in Richtung
der querverlaufenden Breite der Form (die Richtung 21 von
dem Wechselstrommagnetfeld) angelegt wird, das eine magnetische
Flussdichte, die beispielhaft durch eine Wellenform nach 7 wiedergegeben
ist, bereitstellt, wirkt eine elektromagnetische Kraft (Klemmkraft) 24 mit
einer periodisch variierenden Größenordnung
auf einen geschmolzenen Stahl 23 und erzeugt eine geschmolzene
Stahlströmung 25.
In diesem Fall wird das angelegte Magnetfeld jedoch von einem Induktionsstrommagnetfeld
unterdrückt, das
mittels Kupferformplatten, etc. erzeugt wird. Demzufolge beträgt die innerhalb
der Form erzeugte magnetische Flussdichte nur in der Größenordnung
ungefähr
mehrere Hundert Gauß und
es ist schwierig ,die elektromagnetische Kraft 24 zu erhöhen.
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Wenn
andererseits, wie in 10 gezeigt, ein wechsel- und
gleichstromüberlagertes
Magnetfeld mittels der wechselstrombelieferten Spule 19 und
der gleichstrombelieferten Spule 18 in Richtung der querverlaufenden
Breite der Form (die Richtung 21 des Wechselstrommagnetfelds
und die Richtung 20 des Gleichstrommagnetfelds) angelegt
wird, das eine magnetische Flussdichte bereitstellt, die beispielhaft
mittels einer Wellenform in 9 wiedergegeben
ist, kann die magnetische Flussdichte innerhalb der Form bis zu einem
Niveau von mehreren Tausend Gauß erhöht werden
und die elektromagnetische Kraft 24 kann ebenfalls erhöht werden.
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Eine
AC-Komponente der elektromagnetischen Kraft (d. h. eine elektromagnetische
Pumpkraft) verursacht Unordnung in der geschmolzenen Stahlströmung 25,
wobei Bewegung von Wärme
und Material aktiviert wird und der Spülungseffekt (Washing effect)
ebenfalls gefördert
wird. Da ein Wechselstrommagnetfeld bei der Annäherung an das Innere eines
Materials, schrittweise aufgrund des Skin-Effekts gedämpft wird,
ist die elektromagnetische Pumpkraft in der Nähe einer in der Breite verlaufenden
Oberfläche
einer starren Ummantelung relativ groß, aber in der Nähe von der
Mitte des geschmolzenen Stahls in Richtung der querverlaufenden
Breite der Form ist sie relativ gering. Ein Gleichstrommagnetfeld
wird kaum entlang der gesamten querverlaufenden Breite der Form
gedämpft.
In der Nähe
des mittleren Abschnitts des geschmolzenen Stahls in Richtung der querverlaufenden
Breite überlagert
deshalb eine auf dem geschmolzenen Stahl wirkende Gleichstromkomponente
der elektromagnetischen Kraft (d. h. eine elektromagnetische Bremskraft),
um geschmolzenen Stahl bremst, die periodisch wechselnde Komponente,
welche dort gedämpft
wird. Demzufolge ist es möglich,
Strömungen
zu dämpfen,
die von einer Ausstoßströmung verzweigt
sind, damit sie sich aufwärts
und abwärts
bewegen, und gleichzeitig ist es möglich die geschmolzene Stahlströmung in
der Nähe
der in der Breite verlaufenden erstarrten Ummantelung zu aktivieren.
Aufgrund des Einsatzes des ortsfesten Wechselstrommagnetfeldes,
in welchem eine Welle sich nicht in die Richtung der querverlaufenden
Breite der Form bewegt, wird die geschmolzene Stahlströmung in
einem Gießspiegelbereich
in der Nähe
von den langen Seitenwänden
der Gußform 6 zu
einer ungerichteten geschmolzenen Stahlströmung 26, die sich,
wie in 6 gezeigt, in einer zufälligen Richtung bewegt. Dies
verhindert die Erzeugung einer in Figur 12 gezeigten zirkulierenden
Strömung 27,
die sich entlang der Peripherie der Gußform 6 bewegt. Somit
wird weder ein Wirbel 29 noch eine Stagnation 30 aufgrund
von Kollisionen zwischen der zirkulierenden Strömung 27 und eine von
der Eintauchdüse 1 ausgestoßene-und-umgekehrte
Oberflächenströmung 28 erzeugt,
was zu einer erheblichen Verringerung von solchen Nachteilen, wie
beispielsweise das Mitreißen
von Flussmittel mit dem Wirbel und die Aufnahme von Einschlüssen durch
die erstarrte Ummantelung in der Stagnation führt.
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Um
die oben erwähnten
Effekte ausreichend zu erzeugen, wird das überlagerte Gleichstrom- und Wechselstrommagnetfeld
vorzugsweise von einem oder mehreren Paaren von Magnetpolen 22 angelegt,
die, wie in 6 gezeigt, in einem gegenüberstehenden
Verhältnis
oberhalb und/oder unterhalb der Ausstoßöffnung der Eintauchdüse angeordnet
sind. Durch Anlegen des wechsel- und gleichstromüberlagerten Magnetfeldes oberhalb
der Ausstoßöffnung der
Eintauchdüse 1 kann
das Eintreten des Wirbels und der Stagnation in dem Gießspiegelbereich
unterdrückt
werden und wenn es unterhalb der Ausstoßöffnung der Eintauchdüse 1 angelegt
wird, kann dies das Abbremsen der von der Eintauchdüse 1 austretenden
Abwärtsströmung fördern und
den Bereich innerhalb welchem der Spülungseffekt einwirkt erweitern.
Durch Anordnung der Magnetpole in einem gegenüberstehenden Verhältnis kann
ferner das Magnetfeld symmetrisch von beiden Seiten der Gußform in
Richtung der querverlaufenden Breite der Form angelegt werden. Des
Weiteren wird durch Anordnen von einem oder mehreren Paaren der
Magnetpole die geschmolzene Stahlströmung in der Nähe, der
in Richtung der Breite verlaufenden Oberfläche der erstarrten Ummantelung
gleichmäßiger in
Richtung der länglichen Breite
der Form gestört.
Und der Spülungseffekt
kann vereinfacht durchgehend in Richtung der länglichen Breite der Form erzeugt
werden.
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Im
Hinblick auf den Vorrichtungsmäßigen Aufbau
sind die wechselstrombelieferten Spule 19 und die gleichstrombelieferte
Spule 18 vorzugsweise, wie in 6 gezeigt,
um denselben Eisenkern 8 gewickelt, um somit die Positionierung
der angelegten Magnetfelder, das axial ausgerichtete Anlegen des
Wechselstrom- und gleichstromüberlagerten
Magnetfeldes an die erwünschten
Positionen und die unabhängige
Einstellung der Gleichstrom- und Wechselstromkomponente des überlagerten
Magnetfeldes zu erleichtern. Jede der wechselstrombelieferten Spulen 19 ist
ferner um einen von einer Vielzahl von Magnetenpolen 22 gewickelt, welche
durch Abzweigen eines vorderen Abschnittes der Eisenkerne 8 in
der Form eines Kammzahns ausgebildet sind, wobei die gleichstrombelieferte
Spule 18 um eine Wurzel gewickelt sein kann (nachfolgend
als "gemeinsamer
Pol" bezeichnet),
die gemeinsam für
die magnetischen Pole 22 ist, welche Seite an Seite in
der Form eines Kammzahns an dem vorderen Abschnitt des Eisenkerns 8 gebildet
sind.
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In
der Modifizierung dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung, hat
das Wechselstrommagnetfeld vorzugsweise eine Frequenz von 0,01 bis
50 Hz. Wenn die Frequenz niedriger als 0,01 Hz ist, wird die Intensität einer
erzeugten elektromagnetischen Kraft ungenügend, und wenn die Frequenz
50 Hz überschreitet wird,
wird es schwierig für
die geschmolzene Metallströmung
den Änderungen
der elektromagnetischen Kraft zu folgen. Es ist auf jeden Fall schwierig,
die geschmolzene Metallströmung
in der Nähe
der in Richtung der Breite verlaufenden Oberfläche der erstarrten Ummantelung
zufriedenstellend zu stören
bzw. umzuordnen.
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Beispiel (Tabelle 3)
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Ein
1500 mm breiter und 220 mm dicker Strang aus niedrigem Kohlenstoff-
und Aluminiumberuhigten Stahl, wurde durch Ausgießen des
beruhigten geschmolzenen Stahls unter einer Gießgeschwindigkeit von 1,8 m/min
und 2,5 m/min und einem Eintauchdüsenausstoßwinkel von 15°, der in
Bezug auf die Horizontale nach unten gerichtet ist, mit einer Stranggießmaschine
des vertikalen Biegewalzwerktyps (vertical bending type) gegossen.
In diesem Gießschritt
wurden Experimente durch Verwendung der in 6 gezeigten
Vorrichtung und durch Anlegen eines Magnetfeldes an einen Abschnitt
des Strangs, der der Gießformposition
entspricht, unter unterschiedlichen Bedingungen des Anlegen des
Magnetfeldes, wie in Tabelle 3 aufgelistet, durchgeführt. Eine Bramme
wurde Messungen zum Messen eines Oberflächendefektindex, der durch
Beobachtung der Oberflächendefekte
einer gewalzten Stahlplatte bestimmt wurde, und eines Bearbeitungsrissindex
(machining crack index) unterworfen, der durch Beobachtung von bearbeitungs-bedingten
Einschlüssen
bestimmt wurde, die während
des Pressens einer Stahlplatte verursacht werden. Der Oberflächendefektindex
und der Bearbeitungsrissindex sind jeweils als ein Index definiert,
der einen Wert von 1,0 annimmt, wenn eine elektromagnetische Flussregelung
nicht ausgeführt
wird.
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In
Tabelle 3 wurden bei jedem Pol, an welchem ein bewegliches Wechselstrommagnetfeld
angelegt wurde, wechselstrombelieferte Spulen in Untergruppen von
drei Einheiten angeordnet, um somit eine bewegliche Magnetfeldpolteilung
von 500 mm bereitzustellen und Dreiphasenwechselstrom wurde an die
drei Einheiten geliefert, der jeweils voneinander unterschiedliche
Phasen aufweist. In jedem Pol, an welchem ein unbewegliches Wechselstrommagnetfeld
angelegt wurde, wurde ein Einphasenwechselstrom an jede der wechselstrombelieferten
Spulen angelegt, die um die jeweiligen Magnetpole gewickelt waren,
und die Phase einer Magnetflussdichte wurde für jeden Magnetpol gleich eingestellt.
In Tabelle 3 wird die Intensität
des Wechselstrommagnetfeldes ebenfalls von einem Effektivwert der
magnetischen Flussdichte an einer inneren Oberflächenposition von einer mit
Kupfer bedeckten Gußform
(mold copper plate) wiedergegeben, wenn allein das Wechselstrommagnetfeld
angelegt wird, und die Intensität
des Gleichstrommagnetfeldes wird von einem Wert der magnetischen
Flussdichte in der Mitte der gegossenen Bramme in Richtung seiner
Dicke wiedergegeben, wenn allein das Gleichstrommagnetfeld angelegt
wird. Der Pol, in welchem die Intensitäten von beiden der Wechselstrom-
und Gleichstrommagnetfelder nicht 0 T sind, repräsentiert einen Pol, an welchem
das wechselstrom- und gleichstromüberlagerte Magnetfeld angelegt
wurde. Wie in Tabelle 3 gezeigt, repräsentieren die Bedingungen 1
bis 5 Vergleichsbeispiele, die von dem Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung abweichen und die Bedingung 6 repräsentiert ein Beispiele, das
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
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Ergebnisse
der Messungen von dem Oberflächendefektindex
und dem Bearbeitungsrissindex sind ebenfalls in Tabelle 3 aufgelistet.
Es wird darauf hingewiesen, dass die gemessenen Ergebnisse mittels
eines Durchschnitts von zwei gemessenen Werten für zwei unterschiedliche Gußgeschwindigkeitsbedingungen
ausgedrückt
sind.
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In
den Vergleichsbeispielen von Tabelle 3 wurde das Gleichstrommagnetfeld
und das bewegliche Magnetfeld (bewegliches Wechselstrommagnetfeld)
allein oder in einer überlagerten
Art und Weise angelegt. Wenn nur das Gleichstrommagnetfeld angelegt
wurde, war die Zuführung
der geschmolzenen Stahlwärme
ungenügend
und eine krallenartige Struktur bildete sich in einem anfänglichen
erstarrten Abschnitt. Die krallenartige Struktur fängt Flussmittel
und erhöht
den Oberflächendefektindex.
Wenn nur das bewegliche Magnetfeld angelegt wurde, konnte man das
Wachstum der krallenartigen Struktur unterdrücken, aber die elektromagnetische
Bremskraft war so gering, dass Einschlüsse in einen tieferen Bereich
eines noch nicht erstarrten geschmolzenen Stahlbads innerhalb der
gegossenen Bramme eingebrochen wurden. Ferner wurde ein Wirbel und
eine Stagnation beim Eintreten der Kollision zwischen dem Zirkulationsfluss
entlang der Peripherie der Gußform
und der ausgestoßenen-und-umgekehrten
Oberflächenströmung in
dem Bereich der Gießfläche verursacht.
Der Einbruch von Einschlüssen
in den tieferen Bereich des noch nicht erstarrten geschmolzenen Stahlbads
innerhalb der Bramme erhöhte
den Bearbeitungsrissindex. Der Wirbel verursachte Mitreißen des Flussmittels
und die Stagnation förderte
die Aufnahme von Einschlüssen
mittels der erstarrten Ummantelung. Der Wirbel und/oder die Stagnation
erhöhten
den Oberflächendefektindex.
Durch Überlagerung
des Gleichstrommagnetfeldes über
das bewegliche Magnetfeld konnte der Einbruch der Einschlüsse in einen
tieferen Bereich des noch nicht erstarrten geschmolzenen Stahlbades
verhindert werden, aber das Eintreten eines Wirbels und der Stagnation
konnte nicht verhindert werden. In der besten Bedingung 5 unter
den Vergleichsbeispielen, in welcher das bewegliche Magnetfeld und
das Gleichstrommagnetfeld an oberen und unteren Polen angelegt wurde,
wurde deshalb der Bearbeitungsrissindex bis auf 0,1 reduziert, aber
der Oberflächendefektindex
war immer noch hoch und lag bei 0,2.
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Im
Gegensatz dazu, verwendete das Beispiel der Tabelle 3 die Bedingung
6, in welcher das unbewegliche Wechselstrommagnetfeld statt des
beweglichen Magnetfeldes angelegt wird, das in der Bedingung 5 verwendet
wurde. Unter der Bedingung 6 wurde die elektromagnetische Pumpkraft
veranlasst, auf die in Richtung der Breite verlaufenden Oberfläche der
erstarrten Ummantelung zu wirken, um den Spülungseffekt zu steigern, und
die elektromagnetische Bremskraft wurde veranlasst, auf einen zentralen
Abschnitt der Bramme in Richtung ihrer Dicke zu wirken, um somit
die Fließgeschwindigkeiten
der geschmolzenen Stahlströmungen
zu reduzieren (Aufwärts-
und Abwärtsströmungen,
die von der ausgestoßenen
Strömung
abgezweigt sind) und die Bildung von Laminarströmmungen zu fördern. Ferner
konnte eine Erzeugung der Zirkulationsströmung in dem Gießspiegelbereich
unterdrückt
werden und die Bildung des Wirbels und der Stagnation konnte dort
verhindert werden. Demzufolge konnte der Oberflächendefektindex und der Bearbeitungsrissindex
bis zu 0,05 reduziert werden, dies wurde mit dem Vergleichsbeispiel
nicht erreicht.
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Während die
Erfindung in Bezug auf mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben
wurde, wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsbeispiele nur der Veranschaulichung
der Erfindung dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden sollen.
Nachdem diese Offenbarung gelesen wurde, wird der Fachmann in der
Lage sein, Modifikationen und Abwandlungen von äquivalenten Materialien und Verfahren
zu erkennen und alle diese Modifikationen und Abwandlungen liegen
innerhalb des Schutzumfangs der anhängigen Ansprüche.
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